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气体绝缘输电管道中支撑绝缘子沿面绝缘特性提升关键技术研究

詹振宇  
【摘要】:气体绝缘输电线路(Gas Insulated Transmission Line,GIL)作为一种大容量、低损耗的输电方式已经在国内外得到了广泛的关注。随着人类生产活动对电源更高的要求及新基建政策的实施,未来预计会有更多的涵盖各电压等级的GIL线路在国内投运。同时GIL的发展及环保要求的提高,GIL中的传统绝缘介质SF6因其过高的温室效应指数而受到使用限制,新一代的采用C4F7N及其混合气体作为绝缘介质的GIL也成为主要电气设备生产厂家及研究单位的关注焦点。GIL在制造、运输、装配、运行等过程中会不可避免的产生微粒,受管道内电场的作用,微粒会发生带电并受力运动,受电场梯度力的作用,微粒往往会朝着绝缘子方向运动,这些微粒的存在会影响绝缘子表面电荷分布造成电场畸变;同时绝缘子作为GIL中的关键部件,绝缘材料需要长期工作在运行电压下,其本身的物理、化学特性影响着绝缘材料的电荷消散能力及耐受沿面电压,最终制约着GIL的运行稳定性。本文从抑制外部微粒,完善绝缘材料配方,优化绝缘材料表面形貌,改进绝缘材料表面组分的方面出发,依托国家重点研发计划,结合工程实际,提出了气体绝缘输电管道中的支撑绝缘子沿面绝缘性能优化改进方法,主要内容如下:记录了粉末微粒在环保气体交流电压下的放电特性及运动、分布规律,提出了微粒陷阱布置建议。比较了不同微粒对绝缘材料沿面性能影响,搭建了真型缩比GIL微粒运动平台,借助超声信号、特高频信号、图像记录,研究不同目数的金属、半导体、绝缘体粉末微粒在环保型气体、交流电压下的不同初始位置中运动特性及分布规律。根据微粒的落点分布特征,设计了栅格形、条形两类不同参数的微粒陷阱,提出了陷阱的捕获系数,根据捕获效果提出了绝缘子至屏蔽罩下方设置槽宽8 mm的栅格形陷阱及在管道其余部分设置宽度30 mm的条形陷阱的组合式陷阱布置方案。探索了等离子体对填料进行氟化改性效果,确定了填料氟化处理方案。搭建了DBD结构的等离子体填料氟化处理平台,对微米AlN填料进行了氟化改性处理,测试了改性处理前后填料、复合材料的XRD、SEM、FTIR、XPS特性,验证了等离子体氟化可以改变填料尺寸,在不改变填料晶体结构的基础上,可以接枝进氟元素,并在复合材料中形成稳定的C-F键,分析了电荷消散特性对环氧树脂沿面闪络特性的影响关系,提出了填料氟化处理方法。研究了环氧树脂表面形貌对沿面闪络的影响关系,提出了粗糙度控制建议。对GIL绝缘子厂家生产的环氧树脂样片进行表面粗糙度改性,研究了粗糙度、打磨纹理方向对绝缘材料沿面闪络特性的影响,探究了粗糙度对表面陷阱分布及环氧树脂表面二次电子发射的影响关系。根据环保气体中交、直流电压的闪络特性,得出控制绝缘材料表面粗糙度在1.3 μm,直流时采用顺序打磨,纹理方向与电场线方向垂直,交流时采用乱序打磨的方法能提升绝缘材料沿面特性。开展了环氧树脂等离子体表面改性实验,推荐了改性优化参数。利用前述等离子体处理平台,在不涉及绝缘材料配方改性的基础上,对环氧树脂绝缘材料进行了等离子体表面处理。改变了处理时间,通过等离子体处理,试样的表面粗糙度发生了改变,表面出现了较大面积的氟元素,过久的处理会对样片基体造成破坏。根据环保气体中的交直流沿面闪络特性,揭示了物理、化学特性与闪络电压的影响机理,推荐处理10 min时,可最大化提升闪络电压。


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